设计制作一个产生方波-三角波-正弦波函数转换器__1

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1、- - 课程设计报告 设计课题： 设计制作一个产出方波/三角波/正弦波函数发生器 专业班级：电气工程及其自动化（3）班 学生姓名：沈晨汉 学 号： 2 设计时间：1 月 13 日 - - 设计制作一个产生方波三角波正弦波函数转换器 一：设计任务和要求 1 产生方波的幅值为4V； 2 产生三角波的占空比可调，峰-峰值为 4V； 3 产生正弦波的幅值为4V； 4 设计各部分电路参数； 5 用 Protel 软件绘制所设计电路图； 6 用 EDA 软件或 MATLAB 软件对所设计电路进行仿真。 二：方案设计与论证 设计一个电路要求产生三种不同的波形， 分别为方波三角波正弦波。 方波可以由三角波通过

2、滞回比较电路来产生得到， 三角波可以由方波通过积分电路来产生得到，正弦波可以由低通滤波电路或者差分电路产生得到。 方案一： 1：直流电源部分 通过桥式整流、电容滤波、稳压管稳压直流电源电路将220V 的交流电变成+12V和-12V 的直流电: - - 图一：直流稳压电源的方框图 2：波形产生电路 (1) 三角波方波正弦波 方波 三角波 正弦波 电路如图所示： 电压（滞回）比较器 积分运算电路 二阶低通滤波电路 - - 图二：利用低通滤波电路实现波形转换 方案二： 1：直流电源部分 通过桥式整流、电容滤波、稳压管稳压直流电源电路将 220V 的交流电变成+12V和-12V 的直流电: - - 图

3、三：直流稳压电源的方框图 2：波形产生部分 方波 三角波 正弦波 电路图如下： 电压比较器 积分运算电路 差动放大电路 - - U1UA741CD3247651U2UA741CD3247651R120kR210kKey=A50%R310kKey=A50%R420kKey=A50%1D11N5226BD21N5226BVCC12VVCC3R510kKey=A50%GND6GNDGNDVDD-12VVDDC1220nFGNDGNDVCC12VVDD-12VVDDVCC5GND2C2470nFC3470nFR6100kKey=A50%R710kR810kR910kR101008GNDGND9Q12N

4、2218Q22N2218Q32N2218Q42N221810GNDGND11R11100Key=A 50%121316R1210kR1310kR1410kR1510k17181519GNDGNDGNDGNDC4470nFC51uF14GNDGNDVCC12VVCCVDD-12VVDDXSC1ABCDGT4720GNDGND 图四：利用差分放大电路实现方波-三角波-正弦波的转换 方案三： 1：直流电源部分 通过桥式整流、电容滤波、稳压管稳压直流电源电路将 220V 的交流电变成+12V和-12V 的直流电源： 图五：直流稳压电源的方框图 - - 2.波形产生部分 采用 ICL8038 集成电路可

5、以产生三种波形，它的内部结构和外观图如下面图一和图二所示： 图 6-1 ICL8038 内部原理电路框图 图 6-2 ICL8038 管脚图 电路图如下： - - 方案论证：我选的是第一个方案，上述三个方案均可以产生三种波形。方案二的电路过多焊接不方便而且差分放大电路及恒流源所要求的晶体管较高， 不易购买。 但是方案的在调节的时候比较方便可以很快的调节出波形。 方案三使用集成函数发生器 ICL8038 也可以调出三种波形，但是以目前的仿真软件无法画出仿真电路图，无法设计参数，目前来说，还不能很好的使用。方案一电路简洁利于焊接可以节省元器件，通过调节电位器可以调出符合的波形；但是在调节波形的时候

6、会比较费力， 因为整个电路在一起时只要调节前面部分就会影响后面的波形。需反复耐心的调节，才可能成功。 三、单元电路设计与参数计算 1、直流电源的参数设计 提供的是 220V 的交流电源要变为 12V 直流电， 变压器用 220V15V 规格的， 选的三端稳压器为：LM7812、LM7912，整流用的二极管可用 1N4007 ，电解电容用 3300uf C7 与 C8 可用 0.33Uf C5 与 C6 可用 0.1uF C3 与 C4 可用 220Uf电容，发光二极管上的 R 用 1K。 2、波形产生电路部分的参数设计 方波要求幅值为 2V，三角波要求峰峰值为 2V. - - 利用同相滞回比较

7、器和积分运算电路分别产生方波和三角波。 图中滞回比较器的输出电压，即方波的输出幅值1OU=zU，其中zU由稳压管确定，由于没有稳压值为 2V 的稳压管，所以在稳压管的两端并联一个10K 的电位器，以达到输出电压为 2V 的要求。 比较器的输入电压是积分电压是积分电路的输出电压2OU，根据叠加原理，集成运放1A同相输入端的点位为:1212112212121212POOOZRRRRUUUUURRRRRRRR 令110PNUU，则阈值电压： 21TZRUUR 积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压1OU，而且1OU不是+ZU，就是ZU，所以输出电压2OU的表达式为： Uo2=(1/R7C)Uo1(

8、t1t0)Uo2(t0) 式中 00Ut为初态时的输出电压， 设初态时1OU正好从ZU跃变为ZU,则上式可变为 Uo2=(1/R7C)Uz(t1t0)Uo(t0) 积分电路反向积分，2OU随时间的增长线性下降， 一旦2OTUU ， 再稍减小，1OU将从ZU跃变为ZU，则 Uo2=(1/R7C)Uz(t2t1)Uo(t1) 综上所述，1OU是方波，2OU为三角波，幅值为TU。 由上，正向积分的起始值为TU，终了值为TU ，积分时间为二分之一周期，将它代人上式得 : +UT=(1/R7C)UZT/2+(-UT) - - 式中21TZRUUR，经整理得振荡周期为 T=4R8R7C1/R1 振荡频率为

9、 f=R1/4R7R8C1 调节电路中1R，2R,5R的阻值和电容 C 的容量，可以改变振荡频率，而调节1R和2R的阻值，可以改变三角波的幅值。 因为方波的幅值为 2V,三角波的峰峰值为 2V,所以2112RR, 取1R=20K, 2R=10K, 为了更好的调节出波形，取2R为 10K 的电位器， 取 C=0.33Uf,又f为 200HZ20KHZ,得5R为 757.5K， 所以取5R为 10K 的电位器 三角波02U经二阶低通滤波电路后形成正弦波，其中： C2=C3=C=470nF 传递函数为 213upuupAsAsAssRCsRC 令 s=jw, fo=1/2RC,则电压放大倍数 200

10、13upuupAAffjAff 要求正弦波的幅值为 2V，则，upA=2 即 Aup=R6/R5=2 所以取 R3=R4=1K , R6=20K, R5=10K, C2=C3=470nF 三、总原理图及元器件清单 1、 总原理图 - - 图七：总原理图 2、 元件清单 元件序号 型号 主要参数 数量 备注（价钱） 变压器 15V 1 9 元 三端稳压器 W 7812 1 1.0 元 三端稳压器 W7912 1 1.0 元 - - 电阻 R5、R2 2 0.1 元 电阻 R3、R4 1K 2 0.1 元 电阻 R1、R6 20K 2 0.1 元 芯片 UA741 3 1.0 元 电位器 R7、R

11、8、R9、R10 10K 4 1.0 元 电容 C1、C2 3.3mF 2 1.5 元 电容 C3、C4、 0.22uF 2 0.2 元 电容 C2、C3 0.47uF 2 0.2 元 电容 C5、C6 100nF 2 0.2 元 电容 C1 330nF 1 0.1 元 二极管 1N4007 6 0.1 元 发光二极管 LED1、LED2 2 0.3 元 稳压管 3.3V 2 0.2 元 红黑夹子 9 0.2 元 五、安装与调试 1.直流稳压电源 （1） 按指导老师所确定的电路图焊接电路板。 （2） 用示波器显示输出波形。 （3） 用万用表测得输出为+11.9V 和-11.9V，与理论值有一定

12、的误差。 （4） 调试过程中发现自己的电路存在一些问题： 变压器和保险丝没有很好的固 定，有安全隐患存在。 （5）.测试完后我对电路进行了整改。 2.方波、三角波、正弦波 - - （1） 按所设计得电路图焊接电路板。 （2） 经调试后用示波器可测得各输出端的波形为： 图八：方波输出波形 图九：三角波输出波形 图十：正弦波输出波形 - - 六、性能测试与分析 1直流稳压电源 （1） 数据记录： 输出：+11.9V、-11.9V。 变压器输出：15V。 稳压块管压降：LM7812 为 9.0V，LM7912 为 9.0V。 （2） 数据处理： a滤波输出电压理论值： 0()AVU=22U14LTR

13、 C=1.22U=18V b输出直流电压相对误差： LM7812： （11.9-12）12100%=0.83%。 LM7912： （11.9-12）12 100%=0.83%。 2.方波三角波正弦波发生器 （1） 数据记录 a方波 峰-峰值：Up-p=4.0 1 幅值为：U=4.0/2=2.0V 误差分析：相对误差=|2.02.0|2.0100%=0% b三角波 峰-峰值：Up-p=21 幅值为：U=2/2=1.0V 误差分析：相对误差=(1-1)/1100%=1.0% C. 正弦波 峰-峰值：Up-p=6.22=12.4V 有效值为：U=12.42.828=4.38V 幅值为：4.382=2

14、.19V 频率调节范围为：215.14HZ9.35KHZ 误差分析：相对误差 =(2.19-2)2100%=9.5% 误差产生的原因： 1电路原理存在缺陷，参数设计的不够合理，导致与理想值存在差距； - - 2电子元器件存在缺陷，比如电阻电容不够理想等； 3电路中所用的电位器很多，在调试中，很难跳到非常准确的数据； 4测试时间过长导致电路板温度升高影响测量值。 5电路焊接不好，接点接触不良等造成的误差。 6直流源带负载能力不是很强，对数据的测量造成误差。 7220V 50HZ 电网不稳定，造成误差。 8万用表的不够灵敏，精确度不高，造成读数误差。 （9）由于人为因素导致的读数及画图不够精确。

15、七、结论与心得 结论： 通过桥式整流、 电容滤波、 稳压管稳压电路可把交流电变为稳定的直流电源； 通过滞回（电压）比较电路、积分电路可使方波和三角波互相转换； 正弦波可通过不同的方案得到，要根据一定的条件选择，设计电路； 方波变为三角波时的占空比为 0.5，在 R7 与 C1 之间接一个电位器可 以改变方波的占空比，从而可以得到锯齿波； 通过不同的方法，计算合理的参数可以让不同的波形进行相互转换； 在电路中，稳压管有很大的作用，通过稳压可以输出规则的波形，而 且稳压管选择也要注意，不能太大，否则输出波形会失真。 模拟电路课程设计心得体会 课程设计主要的环节也就是找资料设计电路， 算参数，购买元

16、件，写实验报告等一些看是简单的过程，但是，要想做得很好，也不是件容易的事情，我觉得。最难的环节就是确定设计的电路了，因为电路设计的好坏，直接影响到焊接电路板的难易程度以及在测试数据过程的成与败了。而且还应该要考虑到元器件的购买。在焊电路板时，要认真有利的排版，不然在焊接的时候会造成不必要的- - 麻烦， 而且还影响美观。 焊点太多的同时可能会造成短接， 这样会毁掉整个电路，而且在焊接的过程中要注意线的连接， 不能接错或者没接， 同时还要注意是否会有虚焊。 在调试的过程中， 有可能会因为器件或仪器的原因导致一些数据偏离理论数据很大，这时不要太烦躁，要细心点，有可能是有的电位器还没调试好。在测试直

17、流源的时候，要注意安全，在变压器的一段不要有裸露的线。在焊接的时候还要注意一些重要的器件的焊接，如电解电容的正负极，7812,7912 的脚的焊接位置。经过这次的课程设计，我对一些电路的作用有更深刻地了解，而且还锻炼了自己的焊接技术。总的来说整个实验过程还是蛮顺利的，这多亏了老师的指导和小组讨论的结果及建议。 这次实验还有些建议： 1.因为担心输出波形会失真，所以稳压管的选择偏小。其实可以用大一点的稳压管，然后用电位器来分压调节。 2.在焊接时，器件的脚不要剪得太长或者太短，太长会有很长的金属裸露，在测试的时候容易因为不知易导致短接，太短则不易焊接。 3.在 7812 和 7912 两端要接一个二极管用来保护元器件。 4.在选择电容和电位器时，一定要算好参数，否则在测试的时候频率不易达到要求，C1 要选择小一些，而改变频率的电位器用大一点，以便可调。 参考文献： 1.模拟电子技术基础实验及课程设计清华大学出版社 金凤莲 编著 2.模拟电子技术 清华大学出版社 罗振中 主编 3 电子线路设计实验测试 华中科技大学出版社志美 主编 4 模拟电子技术基础清华大学电子学教研组 编 童诗白 华成英 编 5.电子实验与课程设计赣南师范学院物理与电子信息学院